La industria de los semiconductores de alta integración se la reparten tan solo tres compañías. La taiwanesa TSMC acapara, según Visual Capitalist, nada menos que el 54% del mercado, y tras ella y prácticamente a la misma distancia del liderato se abren paso a codazos Intel y Samsung, que tienen aproximadamente un 17% del mercado global cada una.
La posición que tienen estas tres compañías actualmente está soportada en gran medida, curiosamente, por los equipos fotolitográficos de una única empresa: ASML. Y es que esta organización holandesa es la única que suministra las máquinas de litografía ultravioleta extremo (UVE) utilizadas por las tres para producir sus circuitos integrados más avanzados.
A diferencia de AMD, que es cliente de TSMC, Intel fabrica sus propios procesadores. La compañía liderada por Pat Gelsinger tiene fábricas en Estados Unidos, Europa y Asia. De hecho, una de las que tiene en este último continente, la de Kiryat Gat, en Israel, tiene un rol central en su estructura. Hace poco más de una semana tuvimos la ocasión de visitarla, y es una de esas experiencias que no se olvidan fácilmente. Os la contamos.
La sala limpia, el auténtico corazón de una fábrica de circuitos integrados
Antes de seguir adelante es importante que os hagamos una confesión: los responsables de Intel que nos guiaron durante nuestra visita a la fábrica de Kiryat Gat nos pidieron que no tomásemos fotografías ni grabásemos vídeos en el interior de las instalaciones, por lo que todas las imágenes que hemos utilizado para ilustrar este artículo han sido tomadas por la propia Intel en el interior de la Fab 28. En cualquier caso, nos sirven perfectamente para reforzar el texto y transmitir las ideas que nos gustaría compartir con vosotros.
Metámonos en harina. Lo primero que hicimos antes de entrar en la zona en la que se manipulan las obleas de silicio fue cubrirnos el pelo con un gorro de tela ligera y desechable; las manos, con guantes; y los zapatos con unas fundas de papel maleable. Además, todos los periodistas nos pusimos la indumentaria que podéis ver en algunas de las fotografías que ilustran este artículo. Todos los trabajadores de Intel que llevan a cabo sus funciones en el interior de la sala limpia utilizan esta misma indumentaria, y es imprescindible que sea así.
En el interior de esta habitación se manipulan las obleas de silicio, y, por tanto, aquí es donde se fabrican los microprocesadores, por lo que es imprescindible que el aire esté libre de las más ínfimas partículas de polvo. De lo contrario si una de ellas se deposita sobre una oblea podría dañar irreversiblemente uno o varios chips, y este proceso es lo suficientemente complejo y costoso para hacer todo lo posible para minimizar la probabilidad de que se produzca este tipo de contaminación.
Actualmente esta fábrica está produciendo microprocesadores Core de 13ª generación con microarquitectura Raptor Lake
Uno de los recursos con los que cuenta la sala limpia para minimizar drásticamente las partículas que se encuentran en suspensión en el aire es un sofisticado sistema de filtrado y refrigeración que captura y retiene partículas tan pequeñas que son completamente imperceptibles para el ojo humano. De hecho, el filtrado del aire suministrado a una sala limpia como la de esta fábrica de Intel es mucho más exigente incluso que el de un quirófano.
Actualmente esta fábrica está produciendo microprocesadores Core de 13ª generación con microarquitectura Raptor Lake, por lo que el proceso de integración que está implantado en sus equipos litográficos es la última revisión de la tecnología Intel 7, que emplea fotolitografía de 10 nm. Lo primero que nos llamó a todos la atención nada más entrar en la sala limpia fueron los robots que se responsabilizan de transportar las obleas en paquetes entre un equipo y otro empleando unos raíles instalados en el techo de la habitación. Sorprendentemente se mueven a una velocidad casi vertiginosa.
Este es el aspecto que teníamos los periodistas especializados a los que Intel nos permitió visitar su fábrica de Kiryat Gat justo antes de acceder al interior de la sala limpia. Sorprendentemente esta indumentaria es bastante cómoda.
Como cabía esperar, no pude moverme por la sala limpia con total libertad, por lo que no pude ver con todo detalle cómo se lleva a cabo todo el proceso de manipulación de las obleas. Aun así, sí pude ver en acción las que sin dudas son las auténticas joyas no solo de esta fábrica de Intel, sino también de las que tienen TSMC y Samsung: los equipos de fotolitografía UVE de ASML. Antes de entrar en su interior otro equipo especializado se encarga de recubrir las obleas con fotorresina. Este tratamiento debe ser llevado a cabo antes de que las obleas queden expuestas a la luz UVE.
Una sola de las máquinas de litografía UVE de ASML contiene más de 100 000 piezas, 3000 cables, 40 000 pernos y nada menos que dos kilómetros de conexiones eléctricas. Ahí queda eso. No obstante, el hardware es solo uno de los ingredientes de la receta. El otro, y también es esencial, es el software integrado que se responsabiliza de dirigir y supervisar el correcto funcionamiento de cada uno de los equipos de litografía. Un apunte importante: en el interior de la Fab 28 de Intel pude ver varias decenas de estas máquinas de fotolitografía tan avanzadas.
Los equipos de fotolitografía más avanzados que diseña y fabrica ASML son extraordinariamente complejos. La fuente de luz ultravioleta está alojada en la parte inferior del extremo derecho de la máquina, y las obleas se desplazan por su interior con una precisión asombrosa.
Dado que estamos metidos en harina merece la pena que indaguemos un poco más en las características de la luz utilizada por los equipos de litografía UVE. Y su propiedad más llamativa consiste en que pertenece a la porción más energética de la región ultravioleta del espectro electromagnético. De hecho, su longitud de onda se extiende en el rango que va desde los 10 hasta los 100 nanómetros (nm).
La luz UVE debe viajar desde la fuente hasta la oblea de silicio sin interaccionar con la más mínima partícula de polvo
El problema es que no es nada fácil generar y lidiar con esta forma de radiación electromagnética. Y no lo es, entre otras razones, debido a que es tan energética que altera la estructura de los elementos físicos con los que interacciona en el interior de la máquina de litografía.
Además, la luz UVE debe viajar desde la fuente hasta la oblea de silicio sin interaccionar con la más mínima partícula de polvo, por lo que es necesario que todo el proceso de producción de los chips se lleve a cabo en el interior de una cámara diseñada para proporcionar un vacío de mucha calidad. Afortunadamente, como os contamos en este artículo, está siendo desarrollado un nuevo procedimiento de medida del vacío que posiblemente marcará la diferencia en los procesos litográficos que llegarán en el futuro.
Otro elemento de estos equipos de litografía de ASML en el que merece la pena que nos detengamos brevemente es la óptica fabricada por la compañía alemana ZEISS. Se responsabiliza de trasladar la luz UVE con una longitud de onda de 13,5 nm desde la fuente que se encarga de su emisión hasta la máscara que contiene el patrón geométrico que es necesario plasmar en la oblea de silicio.
Pero esto no es todo. A partir de este momento entra en acción la óptica de proyección con el propósito de transferir la radiación UVE que ya contiene el patrón geométrico a la oblea de material semiconductor. Dicho así no parece muy complejo, pero lo es. Es un proceso complejísimo. Si los espejos que intervienen en la propagación de la luz UVE no están fabricados con una enorme precisión el patrón geométrico definido por la máscara se verá alterado, y los chips se irán al garete.
Además, los espejos reflectores que se encargan de transportar la luz desde la fuente emisora hasta la máscara deben conseguir que la radiación UVE llegue a esta última con una uniformidad extrema. De lo contrario, de nuevo, el proceso de fabricación de circuitos integrados no tendrá éxito. No obstante, ZEISS no produce únicamente los espejos involucrados en este delicadísimo proceso.
También se encarga de diseñar y fabricar los sensores y actuadores que se responsabilizan de que el trabajo que llevan a cabo los equipos ópticos de las máquinas de litografía se adecua a las tolerancias que exige este proceso, que son extraordinariamente restrictivas. Y de escribir el software que supervisa en tiempo real el correcto funcionamiento de este subsistema.
El interior de la sala limpia está completamente automatizado, y todo se lleva a cabo bajo el escrutinio de los operadores de mantenimiento y la supervisión de los ingenieros de la sala de control.
La sala de análisis tiene un rol esencial: corregir errores y optimizar procesos
Una vez que salimos de la sala limpia y nos despojamos de la indumentaria con la que la recorrimos los responsables de Intel nos pidieron que entrásemos en una habitación que había justo al lado. Era mucho más pequeña que la sala limpia, pero su función era igualmente crucial. En su interior un grupo de algo más de una decena de ingenieros se dedica a analizar los datos que recibe del análisis de las obleas que se muestrean aleatoriamente en el interior de la sala limpia.
La función de los ingenieros de la sala de análisis es identificar patrones en los fallos localizados en las obleas para encontrar su origen y resolver el problema
Su propósito es, ni más ni menos, identificar patrones en los fallos localizados en las obleas para encontrar su origen y resolver el problema. Es una labor casi detectivesca, aunque, eso sí, estos técnicos tienen un recurso muy valioso a su disposición: la inteligencia artificial. Y es que esta herramienta les ayuda no solo a identificar los desperfectos más minúsculos en las obleas, sino también, precisamente, a encontrar los patrones que pueden establecer algún tipo de relación entre los desperfectos de algunas de esas obleas.
La pericia de estos ingenieros también les permite idear estrategias para optimizar algunos de los procesos que tienen lugar dentro de la sala limpia, de manera que la tecnología de integración que está siendo utilizada en un periodo determinado alcance la madurez lo antes posible. Cuando sucede esto es más fácil llevar a cabo optimizaciones en los procesos que intervienen en la fabricación de los circuitos integrados.
Los técnicos de la sala limpia no intervienen directamente en la fabricación de los chips. De hecho, se limitan a acometer las tareas de mantenimiento que les indican los operarios de las salas de control y análisis.
La sala de control es el centro neurálgico de la fábrica de semiconductores
Antes de que esta pequeña aventura llegase a su final los periodistas invitados por Intel pudimos entrar en una tercera habitación que ejerce de sala de control. En ella trabajan varias decenas de ingenieros (no los conté, pero apostaría que había unos 35 o 40), y, tal y como nos explicó el jefe de operaciones que estaba de guardia en ese momento, su función es exactamente la misma que tiene la torre de control de un aeropuerto: supervisar y administrar todo lo que sucede en el interior de la sala limpia.
Los operarios de la sala de control administran a distancia tanto los equipos de litografía como los robots que operan con las obleas
Los operarios que trabajan enfundados en sus vestimentas blancas en el interior de esta última sala son los responsables de las tareas de mantenimiento de los equipos de la sala limpia, pero no intervienen directamente en la fabricación de los chips. De hecho, se limitan a acometer las tareas que les indican los operarios de la sala de control, que son los que controlan a distancia tanto los equipos de litografía como los robots que operan con las obleas.
Algo que, honestamente, me llamó la atención fue el entusiasmo con el que los ingenieros de la sala limpia, los de la sala de análisis, y, por último, los de la sala de control, defienden su trabajo en la cadena de fabricación. Cada uno de ellos es un eslabón esencial de esta cadena, y si uno de ellos falla, todo falla. Llevar a cabo de forma óptima unos procesos tan complejos como los que tienen lugar en el interior de una fábrica de semiconductores de alta integración no es fácil, y es vital que toda la cadena esté bien engrasada. Y sí, definitivamente la de la fábrica que tiene Intel en Kiryat Gat parece estarlo.
Actualmente Intel está construyendo su Fab 38, que está ubicada justo al lado de la Fab 28 que hemos podido visitar. La puesta a punto de nuevas fábricas es esencial para incrementar la producción y dar una respuesta contundente al aumento de la demanda de semiconductores.
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